将含碳材料的厌氧处理与水热气化相结合以使增值产品回收最大化的制作方法 专利技术说明

石油,煤气及炼焦工业设备的制造及其应用技术1.本发明涉及含碳材料(诸如污泥)的处理，更具体地涉及来自废水或有机废物处理厂的污泥的处理。技术背景2.污泥处理方法通常涉及通过通常通过厌氧消化产生含甲烷的气体(合成气或沼气)来使污泥中所含的碳增值。3.然而，厌氧消化不会降解污泥中所含的所有有机物。剩余的含碳消化物可以要么通常通过在农业用地上作为肥料(也含有氮和磷)撒播而回收利用，要么在脱水后处置以最大限度地降低与处置相关的成本。4.然而，即使将消化物的一部分再循环，污泥处置或销毁仍然成本高昂。5.事实上，在陆地上的撒播只能在一年的有限时间期间进行，使得回收利用需要6到9个月时间的存储容量，具有批次管理系统以确保可追溯性。从成本效益的角度来看，这个问题证明了减少待储存污泥吨位的工艺是合理的。6.关于剩余脱水污泥的处置，由于成本增加，在垃圾填埋场处置的竞争力越来越小。此外，法规，特别是欧洲的法规，倾向于尽可能限制垃圾填埋处置。7.销毁方法使用热过程(专用焚烧或协同焚烧、热解/气化、湿法氧化)以尽可能全面和成本效益的这种方式销毁剩余的有机物，使得仍要回收的所有物质都是可以根据当地法规进行回收利用的最终矿物残余物。8.涉及氧化反应的销毁过程称为燃烧或焚烧，并且通常需要高浓度的o2。另一方面，热解(或热分解)过程在没有空气(和氧气)的情况下使含碳物质热降解。气化是其中材料暴露于一些氧气，但不足以发生燃烧的一种过程。这些过程不会氧化有机物，而是将其“裂解”，从而产生还原气体(称为合成气)：co、ch4、cnhm…9.然而，这种销毁需要以相对高的脱水水平将污泥/废物脱水。由于消化物含有高水平的有机材料(诸如vfa)，所以该步骤变得难上加难，这阻碍置于发酵反应器下游的任何直接脱水技术分离含有vfa的液体部分和固体部分，或使置于发酵反应器下游的任何直接脱水技术难以分离含有vfa的液体部分和固体部分。脱水步骤的成本本身增加了销毁步骤的成本，其通常需要补充能量(燃料)。10.文献wo2011/128741公开了一种从城市固体废物生产生物油的方法，包括以下步骤：a)使所述城市固体废物经受液化，从而获得包含由生物油组成的油相、固相和第一水相的混合物；b)将在液化步骤a)中获得的第一水相用至少一种吸附材料进行处理，从而获得第二水相；c)将在处理步骤b)中获得的第二水相与至少一种吸附材料一起进行发酵，从而获得生物质；d)使发酵步骤c)中获得的生物质经受所述液化步骤a)。由此获得的生物油(或生物原油)可以有利地用于生物燃料的生产或原样使用(生物可燃物)或与化石可燃物(可燃油、煤等)混合。值得注意的是，如下所述，htg不产生生物油。在任何情况下，wo2015/189775的方法在5至170巴的压力下操作：因此它不是在超临界或近临界条件下操作的方法。11.文献wo2015/189775公开了一种用于主要转化纤维素材料的方法，该方法包括热化学处理的第一步骤和厌氧处理的第二步骤。需要指出的是，文献wo2015/189775的方法旨在主要转化纤维素材料，即具有大于50的碳/氮比和高干固体含量的材料，而本发明的方法旨在转化含碳材料诸如污泥。wo2015/189775的方法并不直接适用于处理具有低碳/氮比、或低干固体含量或高无机物含量的含碳材料。12.此外，文献wo2015/189775教导了不同的热化学处理诸如热解、气化和水热液化。如wo2015/189775中所述的常规气化通常在大气压和高温(超过650℃)下操作，需要高能量输入来蒸发水分。因此，当提到湿原料(h2o高于15％)诸如污泥时，常规气化效率相当低。水热液化不包括任何物理状态的变化，并产生主要由具有一定灰分含量的富碳残余物(生物炭)定义的固体部分。简而言之，wo2015/189775没有教导htg步骤。13.水热气化(或htg)是一种颠覆性技术，其针对污泥处理极具前景，因为它彻底改变了技术范式：污泥按原样处理，并且还原成合成气(一种燃料)，无需干燥、增浓或脱水。没有留下有机物。灰分集中了然后可以回收的重金属和营养物。然而，为了达到这个结果，需要包括高温在内的亚临界或超临界条件。因此，该技术可能非常耗能，并且迄今为止不具有成本效益。14.因此，需要提供一种处理含碳材料，特别是污泥/废物的方法，该方法将限制或者甚至避免污泥的产生，同时允许仍使用污泥作为可用于循环经济的材料。特别地，需要一种处理含碳材料，特别是污泥的方法，该方法将限制或者甚至避免污泥的产生，同时允许产生合成气和/或生物甲烷(一种“绿色”能源)和有价值的有机底物。有利地，本发明的方法将允许容易地纯化这些有价值的有机底物。它还应该具有成本效益且易于实施。技术实现要素：15.因此，本发明提供了一种用于处理含碳材料的方法，该方法将厌氧消化(ad)或发酵与水热气化(htg)相结合以产生沼气和/或合成气，以及有价值的有机化合物(特别是vfa)，同时消除要被处置的任何固体(诸如污泥)的产生。16.更具体地，本发明涉及一种处理含碳材料的方法，所述方法包括：17.a)提供含碳材料cm，18.b)使含碳材料cm经受水热气化，从而产生：[0019]-无机固体残余物，[0020]-包含ch4、co、co2和h2的第一气态部分g1(即合成气)，和[0021]-含有易生物降解碳诸如vfa的滤液f1，[0022]c)使滤液f1的至少一部分经受厌氧处理步骤，产生消化物和任选地产生含有ch4和co2的第二气态部分g2。[0023]如本文所用，“含碳材料”被理解为有机和无机材料的混合物，诸如生物质。含碳材料通常是湿的。其干固体含量有利地在3和25％之间。含碳材料的例子是有机废物或污泥，更特别是来自有机废物或饮用水或废水处理厂的污泥。优选地，含碳材料cm包括初沉污泥、生物污泥、有机废物或它们的混合物。生物污泥通常包含was(废活性污泥)、twas(增稠的废活性污泥)或ras(再循环活性污泥)或它们的混合物。此外，本发明的含碳材料通常具有小于50，通常在5和40之间，例如在约10和约20之间的碳/氮比(c/n比)。此外，含碳材料通常具有相对高的无机含量，特别是10％或更多和高达20％或更多。[0024]如本文所用，“无机固体残余物”被理解为固体htg残余物，其基本上由无机盐组成，并且包括金属盐以及硫酸盐、碳酸盐和碳酸氢盐。无机固体残余物通常也称为htg过程的“灰分”。[0025]如本文所用，“厌氧处理”被理解为厌氧消化或发酵，其可被认为是部分厌氧消化。步骤c)的厌氧处理通常在厌氧罐中进行。[0026]“发酵”是本领域众所周知的过程，并且可定义为在没有氧气的情况下从碳水化合物中提取能量以特别地通过酶的作用产生小分子(有机底物)，特别是rbc的生物厌氧过程。不产生ch4，或仅产生微量。存在五种主要发酵类型：[0027]·酒精发酵，主要产生乙醇，[0028]·乳酸发酵，产生乳酸，[0029]·丙酸发酵，产生丙酸盐，[0030]·丁酸/丁醇发酵，产生丁酸盐和丁醇，[0031]·混合酸发酵，产生vfa(主要是乙酸盐，但也有丙酸盐、乳酸盐、丁酸盐)。[0032]发酵过程可以通过污泥进入厌氧罐的停留时间、厌氧罐中的温度和ph值以及发酵过程中涉及的特定微生物种群(即厌氧池中微生物菌株的选择)来控制。[0033]厌氧消化是一个涉及在没有氧气的情况下分解可生物降解材料的微生物的过程。该过程产生消化物和气态部分(g2)，该气态部分包含甲烷并且通常主要由甲烷和co2(也称为沼气)组成。[0034]有利地，厌氧消化是对仅含有可溶性组分，特别是可溶性碳(即不再含有悬浮固体)的流出物的消化。有利地，悬浮固体已在htg步骤中溶解。可以进一步进行任选的专用厌氧消化，诸如uasb类型(上流式厌氧污泥层消化)，即处理可溶性碳。[0035]厌氧处理通常在7.0和7.5之间，优选7.0和7.2之间的ph条件下进行。[0036]通常，“消化物”是厌氧消化的非气态产物，而“发酵物”是发酵产物。然而，在本发明中，除非另有说明，否则词语“消化物”将包括厌氧处理的非气态产物，即分别为针对消化的“常规”消化物和针对发酵的“发酵物”。[0037]根据所选的发酵途径，消化物，更具体地发酵物，包含rbc，更具体地vfa或其他发酵产物，诸如低级醇——特别是式r-oh的低级醇，其中r代表饱和的、直链或分支的c1-c4烃链，尤其是乙醇或丁醇。[0038]"rbc"或“易生物降解碳”是本领域技术人员众所周知的。例如，在由iwa任务组关于用于生物废水处理的设计和操作的数学模型编辑的“活性污泥模型asm1、asm2和asm3”中对它们进行了定义，henze等(2000),isbn 1 900222 24 8。易生物降解的碳的例子是挥发性脂肪酸。rbc可以通过特别是us 6,387,264公开的发酵产生，例如在联合发酵和增稠(ufat)过程中。rbc与生物油的区别在于它们包括低级羧酸、醛和醇，尤其是被cooh基团、oh基团或cho基团取代的c1-c4饱和、直链或分支烃链，诸如甲醛、乙醛、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和vfa。[0039]“vfa”或“挥发性脂肪酸”也是本领域技术人员众所周知的。特别地，它们包括低级羧酸，特别是被cooh基团取代的c1-c4饱和、直链或分支烃链，诸如乳酸、丁酸、丙酸和乙酸。[0040]水热气化(htg)是一种用于在高温至中温和高压下将含碳材料——特别是湿生物质——转化为仅包含小分子的混合物的热解聚过程。它通常在亚临界或超临界条件(即220巴或更高的压力和300℃或更高的温度下)下操作。它在本领域中是众所周知的，并且例如描述在lachos-perez et al.biofuel research journa 14(2017)611-626、wo2013/030026或wo2013/030027中。htg步骤b)通常在htg反应器中进行。它还在wo99/00334或us2017/0342327中描述了与氧化步骤组合。[0041]在htg期间，含碳材料(诸如生物质)的碳和氢被热化学转化为具有低粘度和高溶解度的化合物。htg的主要产物是二氢(h2)和c1分子，诸如ch4、co2、co、ch3oh和ch2o。也可以产生更高重量的有机羧酸分子并保持溶解在液相中。实质上，在反应器中引入水，在某些情况下，含有不允许发生燃烧反应的非常有限量的氧气或空气，这推动了将其他有机材料转化为氢气和额外的二氧化碳的第二反应。当形成的一氧化碳和来自有机材料的残留水反应形成甲烷和过量的二氧化碳时，会发生进一步的反应。第三反应在增加反应气体和有机材料的停留时间以及热量和压力的反应器中更大量地发生。[0042]在近临界或超临界条件下加热时，含碳物质会经历除了其他反应之外的基于水解的分解，类似于液化过程中发生的分解，但速度要快得多。实际上，在近临界或超临界条件下操作允许使用超临界水作为溶剂的独特性质，这允许非常均匀的溶剂化和反应条件，从而导致非常高的动力学反应速率。因此，使用了比传统水解短得多的停留时间和高得多的加热速率，从而限制甚至避免了是生物油和生物炭形成的原因的缩合和聚合副反应。[0043]当htg在400℃以上的温度下操作时，自由基聚合物分解(尤其涉及脱羧、脱氨和c-c或c-o裂解反应)占主导地位，而吸热蒸汽重整是将小c1-c3分子转化为碳氧化物和二氢的主要反应途径。还通过co和co2甲烷化产生甲烷：[0044]co+3h2→ch4+h2o[0045]co2+4h2→ch4+2h2o。[0046]在500℃以上，水煤气变换机制比甲烷化更重要，因此产生h2和co2作为主要化合物：[0047]co+h2o→co2+h2[0048]ch4+2h2o→co2+4h2。[0049]因此，htg可被视为1)将无机固体残余物(即灰分和盐)从超临界相中分离出的相分离，该超临界相在冷却后产生气相和液相，和2)将有机含碳材料转化为更容易生物降解的材料(诸如rbc)的解聚过程。在本领域中，这种htg有时被称为低温和中温htg(参见例如pavlovic等j.agric.&food chem.2013,61,8003-8025页8015-8020)。[0050]催化剂(均相和/或非均相)可用于提高反应速率和产品质量。然而，优选地，在步骤b)中不使用催化剂。换言之，有利地，步骤b)在不存在任何催化剂的情况下进行，无论是均相的还是非均相的。[0051]可以调整htg的加工条件(特别是温度、压力、产品浓度和较小程度上的停留时间)以不仅产生无机固体残余物(灰分)和含有ch4、co、co2和h2的气态部分(合成气)，而且产生主要含有rbc，特别是vfa的滤液(或液体产品，也称为“生物原油”)。[0052]值得注意的是，htg与液化或甚至水热液化(htl)不同，不同之处特别地在于htl中含碳材料的转化率和分解水平不如htg中的高，即使htg在中等温度下操作也是如此。[0053]在htl条件下，水仍然含有引发含碳物质的水解的ho-和h3o+离子。水解仅发生在浆液中所含的纤维素化合物的表面上，其在亚临界介质中溶解得非常少，从而产生相当低的转化分解。中间体的缩合反应(主要包括醇醛缩合、friedel-craft烷基化或酰化)是重要的反应途径，导致形成生物原油，该生物原油是可用作燃料的油(也称为生物油)，即生物原油包含含有5个或更多个碳原子(通常为8至16个)的有机分子。相比之下，htg的液体产品主要含有rbc。[0054]htg与热解的区别在于它在水气氛下操作，水处于超临界或近临界状态。htg与含碳物质的“常规”气化的区别在于后者降低了碳氢(c/h)质量比，导致热值增加的产品，该产品包括主要由合成气(h2/co的混合物)组成的气体、生物油和/或含碳固体(烧焦物)。[0055]相比之下，htg不产生灰分以外的固体产品，特别是它不产生生物炭。[0056]该方法通过在ad下游联合htg，提供了协同效应：[0057]·通过以生产rbc为目标而不是将有机物完全转化为合成气，降低了htg的压力和温度操作条件，[0058]·厌氧处理通过减少将所有有机物完全转化为合成气的需要而最大限度地减少htg的能量需求，并通过rbc进入滤液f1得到改善。[0059]该方法进一步提供以下优点：[0060]·显著降低或者甚至消除要处置的污泥的量，同时最大限度地提高合成气和/或沼气的产生。[0061]·与其他水热技术相比，减少难熔cod或氮化合物的产生。[0062]·消除发酵罐工艺后污泥脱水的困难。[0063]·当厌氧处理为发酵时，产生纯液体高浓缩高价值液体。[0064]·当厌氧处理为发酵时，去除在发酵反应器下游进行脱水步骤的需求(节省opex，特别是通过避免使用聚合物)。[0065]·减少产生的污泥的总量，同时保持污泥(通常是a类或b类污泥)的土地应用的可能性。[0066]·生产合成气和/或沼气，这可通过电力生产、栅极注入、nlg生产等进行下游升级。[0067]·允许htg步骤中所产生的灰分中的营养物回收(特别是磷(p))。[0068]在一个实施方案中，含碳材料cm在经受步骤b)之前被分离成液体部分和固体部分，特别是通过脱水。在该实施方案中，含碳材料cm的相分离在htg上游进行并且htg反应器被供给来自相分离的固体部分。这种配置减小了htg反应器的体积，从而减小了消化器和整个污泥处理线的尺寸。[0069]含碳材料cm可以包括来自废水处理厂的初沉污泥。它还可以包含或可以替代地包含生物污泥，并且在经受步骤c)之前任选地被水解和/或卫生化。在该实施方案中，含碳材料cm被热水解(thp)和/或生物水解(bhp)。[0070]在一个优选的实施方案中，htg步骤在500℃或以下，优选400℃或以下的温度下进行，使得htg反应器中的水暴露于允许将水在亚临界或超临界条件下保持在流体部分中的温度和压力。由于压力取决于温度，故固定htg反应器中的温度使得本领域技术人员能够确定适合的压力。为了保持亚临界或超临界条件以及有机物的充分降解，htg步骤的温度有利地为300℃或以上，优选地为330℃或以上，甚至更优选地为350℃以上，有利地为375℃或以上。该温度条件能够促进含碳材料cm分离成htg的各种产物。[0071]htg步骤中的压力取决于温度并被选择以保持亚临界或超临界条件。通常，在htg步骤中，压力在22mpa(220巴)和40mpa(400巴)之间，优选在25mpa和35mpa(250巴和350巴)之间，特别是在28mpa和30mpa(280巴和300巴)之间。[0072]htg步骤b)中含碳材料cm的(整体)停留时间通常在1分钟和10分钟之间，优选在2分钟和8分钟之间，更优选在3和5分钟之间。[0073]在相关的情况下(即特别是在分批工艺中)，htg步骤b)中的加热速率通常在100℃/min和5000℃/min之间，优选为500℃/min。[0074]在第一实施方案中，厌氧处理是发酵。该实施方案允许最大限度增加增值化合物诸如vfa的生产。[0075]在第二实施方案中，厌氧处理是厌氧消化。该实施方案允许产生沼气。因此，在该实施方案中，在步骤c)中产生了包含ch4和co2(生物气)的第二气态部分g2。[0076]在一个有利的实施方案中，该方法进一步包括将步骤c)的消化物分离成液体部分和固体部分的步骤d)。分离特别地是脱水步骤。步骤d)的液体部分可以与步骤c)中的滤液f1混合，或返回到渠首(headwork)和/或侧流处理装置(即专用于n-去除的特定处理装置，例如：cleargreentm)。[0077]然而，优选地，步骤d)的液体部分经受回收增值化合物诸如vfa的步骤。这种回收技术在本领域中是已知的。因此，在一个优选的实施方案中，特别是当厌氧处理是发酵时，该方法进一步包括将步骤d)的液体部分中所含的增值化合物诸如vfa回收的步骤e)。[0078]在特定实施方案中，步骤d)的消化物或固体部分适合用作要散播在陆地上的肥料。在该实施方案中，固体部分或消化物有利地是如40 cfr part503生物固体规则或epa(环境保护署)所定义的a类或b类污泥。[0079]优选地，将步骤d)的固体部分与cm合并并将所得混合物进行htg步骤b)。在该实施方案中，不产生污泥或固体有机残余物：完全避免了污泥处置。[0080]本发明的方法是灵活的并且允许最大限度增加能量产生，特别是通过生物气和/或合成气和/或氢气的增值。[0081]在特定实施方案中，步骤b)的气态部分g1的至少一部分经受h2或ch4的生物强化。如本文所用，合成气的“生物强化”被理解为合成气的组分(即h2或ch4)的相对浓度增加。以下的合成气生物强化：[0082]·甲烷的生物强化可以通过生物甲烷化进行。[0083]·氢气的生物强化可以通过水煤气变换反应，优选生物水煤气变换反应进行。[0084]生物甲烷化是本领域公知的方法。例如，wo2018/234058中描述的方法可以用作生物甲烷化方法。因此，优选地，在该实施方案中，生物甲烷化步骤在专用反应器中进行，特别是如wo2018/234058中所述的。[0085]水煤气变换反应也是本领域公知的：它由水和co产生氢气和co2。使用特定的细菌种群进行生物水煤气变换反应。它也可以使用化学催化剂(非均相或均相)进行催化。[0086]在另一个特定实施方案中，步骤b)的气态部分g1中的至少一部分被燃烧以产生能量。产生的能量是热(热能)和/或电的。热量部分可以照此回收，并用于：[0087]·保持步骤c)(发酵或厌氧消化)的温度，和/或[0088]·补偿步骤b)所需的至少部分热量。[0089]能量通常通过在燃气轮机或发动机中燃烧气态部分g1来产生，特别是在热电联供(chp)发动机中。[0090]当厌氧处理为厌氧消化时，特别地，第二气态部分g2的至少一部分用于产生能量。产生的能量是热(热能)和/或电的。热量部分可以照此回收，并用于：[0091]·保持步骤c)(发酵或厌氧消化)的温度，和/或[0092]·补偿步骤b)所需的至少部分热量。[0093]在一个变型中，第二气态部分g2的至少一部分用作天然气，例如用作压缩天然气或液化天然气，或者将其注入燃气管网中。[0094]在另一个特定实施方案中，当厌氧处理是消化时，步骤b)的气态部分g1中的至少一部分可以与滤液f1混合，以提高甲烷产生。通常通过将气态部分g1鼓泡进入滤液f1中来进行混合。任选地，在该实施方案中，气态部分g1在混合之前经受生物甲烷化步骤，以便进一步增加其甲烷含量。[0095]优选地，该方法进一步包括从步骤b)中产生的无机固体残余物(灰分)中回收营养物，特别是磷(p)的步骤。营养物回收方法在本领域中是已知的。[0096]如本文所用，“营养物”被理解为可用作土壤改良剂的化学物质，特别是用于农业应用。特别地，营养物包括以下化学元素：磷(p)。磷通常以磷酸盐的形式存在。[0097]该方法可以进一步包括在超临界条件下在htg上游的湿空气氧化的步骤。这使污泥氧化能够产生热量，该热量再用于加热htg反应器。[0098]本发明进一步涉及一种用于处理含碳材料的装置，所述装置包括：[0099]·适用于水热气化的htg反应器，其具有第一入口(icm)以及第一出口(os)、第二出口(og1)和第三出口(of1)，该htg反应器被配置为在第一入口处被供给含碳材料cm，并产生：[0100]-在第一出口(os)处回收的无机固体残余物，[0101]-在第二出口(og1)处回收的包含ch4、co、co2和h2的第一气态部分g1，和[0102]-在第三出口(of1)处回收的任选地含有易生物降解的碳诸如vfa的滤液f1，[0103]和[0104]·厌氧罐，其适用于发酵或厌氧消化，具有第一入口(il)和第一出口(od)，[0105]第一入口(il)与htg反应器的第三出口(of1)流体连接，厌氧罐被配置为在第一入口(il)处被供给滤液f1，并产生：[0106]-第一出口(od)处的消化物。[0107]在一个特定实施方案中，该装置进一步包括分相器，该分相器具有：[0108]-连接到厌氧罐的第一出口(od)的分相器入口(id)，[0109]-第一分相器出口(olf)，[0110]-第二分相器器出口(osf)，[0111]分相器被配置为在分相器入口(id)处被供给消化物，并将消化物分离成朝向第一分相器出口(olf)的液体部分和朝向第二分相器出口(osf)的固体部分。[0112]有利地，在该实施方案中，分相器的第二出口(osf)与htg反应器的第一入口(icm)流体连接，并且htg反应器被配置为在htg反应器的第一入口(icm)处被供给固体部分。[0113]在第一实施方案中，厌氧反应器是发酵罐。[0114]在第二实施方案中，厌氧反应器是消化器。在该实施方案中，消化器进一步包括第二出口(og2)，并且厌氧罐被配置为进一步产生在第二出口(og2)处回收的包含ch4、co2和任选存在的h2的第二气态部分g2。附图说明[0115]附图说明了根据本说明书的各种非限制性、示例性、创新性方面：[0116]-图1示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的方法的步骤的框图；[0117]-图2示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的方法的任选步骤的框图；[0118]-图3示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置的第一实施方案；[0119]-图4示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置的另一个实施方案；[0120]-图5示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置的另一个实施方案；[0121]-图6示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置的另一个实施方案。具体实施方式[0122]图1示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的方法的步骤的框图。用于处理含碳材料的方法包括步骤a)：提供含碳材料cm。根据本发明的方法进一步包括步骤b)：使含碳材料cm在htg反应器11中经受水热气化，从而产生无机固体残余物12、包含ch4、co、co2和h2的第一气态部分g1(即合成气)和含有易生物降解碳(诸如vfa)的滤液f1。并且根据本发明的方法包括步骤c)：使滤液f1的至少一部分在厌氧罐13中经受厌氧处理步骤，从而得到消化物14。[0123]根据本发明的方法能够生产易生物降解的碳而不是将有机物完全转化为合成气，降低了htg的压力和温度操作条件。此外，厌氧处理通过减少将所有有机物完全转化为合成气的需要而减少htg的能量需求，并通过rbc进入滤液f1得到改善。[0124]图2示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的方法的任选步骤的框图。根据本发明的方法可以包括所有任选步骤或它们中的仅一个或一些。[0125]有利地，htg步骤b)在500℃或以下，优选400℃或以下的温度下进行，使得htg反应器11中的水暴露于允许将水在亚临界或超临界条件下保持在流体部分中的温度和压力。htg步骤中的压力取决于温度并被选择以保持亚临界或超临界条件。为了保持所需的亚临界或超临界条件以及有机物的充分降解，htg步骤的温度有利地为300℃或以上，优选地为330℃或以上。该温度条件能够促进含碳材料cm分离成htg的各种产物。[0126]本发明的方法可以包括将步骤c)的消化物14分离成液体部分16和固体部分17的步骤d)。有利地，步骤d)的液体部分16经受回收增值化合物诸如vfa的步骤e)。[0127]在本发明的一个实施方案中，将步骤d)的固体部分17与含碳材料cm合并(步骤f)，并将所得混合物经受htg步骤b)。[0128]有利地，含碳材料cm具有在3％和25％之间的干固体含量。[0129]有利地，含碳材料cm具有40或更小的碳/氮比(c/n比)。[0130]任选地，本发明的方法可以包括在厌氧处理之前将经受厌氧处理步骤的滤液f1的至少一部分冷却的步骤。冷却步骤可以用本领域技术人员已知的冷却技术进行。[0131]任选地，如果滤液f1中的铵浓度过高，本发明的方法可以包括降低滤液f1中的铵浓度的步骤。这可以使用本领域技术人员已知的技术来完成，例如用水稀释滤液f1。这能够降低滤液f1中的铵浓度，从而避免厌氧处理步骤中的氨毒性问题。[0132]本发明的方法使其可以降低或甚至消除待处置的污泥的量，同时最大限度地增加合成气和生物气产生。此外，合成气和生物气产生可以在下游升级，例如通过电力生产、栅极注入、nlg生产等。当厌氧处理是发酵时，本发明的方法能够产生高浓度、高价值的液体。它还去除在发酵反应器下游进行脱水步骤的需求(节省opex，特别是通过避免使用聚合物)。尽管如此，保持了污泥(通常是a类或b类污泥)的土地应用的可能性。而且，根据本发明的方法实现营养物回收，特别是在htg步骤中产生的灰分中的磷(p)。[0133]图3示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置10的第一实施方案。根据本发明的用于处理含碳材料的装置10包括适于水热气化的htg反应器11，其具有第一入口icm以及第一出口os、第二出口og1和第三出口of1。htg反应器11被配置为在第一入口icm处被供给含碳材料cm，并产生在第一出口os处回收的无机固体残余物12(也称为灰分)，在第二出口og1处回收的包含ch4、co、co2和h2的第一气态部分g1，在第三出口of1处回收的含有易生物降解碳诸如vfa的滤液f1。[0134]装置10进一步包括厌氧罐13，其适用于发酵或厌氧消化，具有第一入口il和第一出口od。第一入口il与htg反应器11的第三出口of1流体连接。厌氧罐13被配置为在第一入口il处被供给滤液f1，并产生在第一出口od处回收的消化物14。[0135]根据本发明的装置实现污泥处理，该污泥被还原成可以直接用作燃料的合成气，而不需要对上游的污泥进行干燥、增稠或脱水。没有留下有机物。灰分集中了然后可以回收的重金属和营养物。htg步骤的主要缺点是它所强加的苛刻条件，诸如高温和高压。因此，htg反应器应保持在高温和高压水平，这是非常耗能的。该装置的优势在于htg反应器和被供给htg步骤产生的滤液的厌氧罐的联合。通过厌氧罐中的消化或发酵步骤，产生了生物气，即能源。[0136]换言之，本发明将耗能的htg步骤与产生能量的厌氧处理相联合。htg步骤可以在低氧量下进行以控制特定产物(诸如易生物降解的材料)的形成，并产生能量。这种htg步骤允许溶解污泥中的悬浮碳并实现相分离。将所得富含rbc的滤液供给到厌氧罐。rbc被分解，从而产生生物气。可以进一步加工和评估由htg步骤(无机固体残余物、气态部分)和厌氧处理(消化物、气态部分)产生的其他产品。[0137]在各图中，厌氧罐3表示为一个单元(图3至6)，并且厌氧处理步骤c)表示为单个步骤(图1和2)。然而，本发明的厌氧处理可以是htg步骤下游的两阶段厌氧消化(即，厌氧消化发生在两个阶段：中温或嗜热酸化，然后是中温消化，也称为tpad或2pad)。如果厌氧处理是两阶段厌氧消化，则厌氧罐13将被理解为配置成操作两阶段厌氧消化的厌氧消化器。该替代方案能够优化第一发酵步骤，如下所述。[0138]事实上，热处理(诸如热解、气化、htl或htg)不仅产生可生物降解的分子(vfa和糖)，而且产生大量酚类衍生物(所产生的二沉污泥的近50％)。这些酚类衍生物，例如具有高抑制性能的酚类和呋喃，诸如羟甲基糠醛或糠醛，已知对产甲烷菌群有毒。因此，标准的厌氧消化似乎与下游这样的热处理不兼容。[0139]尽管存在这种毒性，但表明根据消化中的输入浓度，消化和热解油之间的配合将芳族化合物(即糠醛、苯酚等)的浓度降低到检测阈值以下。可以发现厌氧微生物降解途径(涉及瘤胃球菌科和消化球菌科)用于降解源自香草酸盐和丁香酸盐的芳族亚化合物。[0140]与在相同条件下操作的中温消化器相比，htg步骤下游的2阶段消化(tpad)可以降解htg步骤期间产生的酚类并增加生物气产生，而不会受到明显抑制。[0141]此外，要么在标准厌氧处理的情况下，要么在2阶段消化的情况下，本发明还可以包括在经受厌氧处理或2阶段消化之前稀释通过htg步骤产生的滤液f1的步骤。使用本领域技术人员已知的技术进行的这种稀释能够将毒性维持在某个阈值以下。图4示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置20的另一个实施方案。根据本发明的用于处理含碳材料的装置20包括与装置10相同的元件。装置20进一步包括分相器15，其具有连接至厌氧罐13的第一出口od的分相器入口id、第一分相器出口olf、第二分相器出口osf。分相器15被配置为在分相器入口id处被供给消化物14，并将消化物14分离成朝向第一分相器出口olf的液体部分16和朝向第二分相器出口osf的固体部分17。[0142]图4所示的装置20包括任选的预处理设备45，诸如任选的分相器45。任选的分相器45被配置成在将含碳材料cm引入htg反应器11之前，将含碳材料cm分离成液体部分46和固体部分47，特别是通过脱水。在该实施方案中，含碳材料cm的相分离在htg上游进行并且htg反应器被供给来自相分离的固体部分。如果含碳材料cm太稀，则该任选的分相器能够浓缩含碳材料cm。含碳材料cm的干固体含量通常在3和25％之间。但若为约3％，则有利的是将其增稠直至其干固体含量变为约12％。[0143]预处理设备45是任选的并且仅在图4中示出，但它可以在本发明的每个示例中实施。[0144]图5示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置30的另一个实施方案。根据本发明的用于处理含碳材料的装置30包括与装置20相同的元件。在装置30中，分相器15的第二出口osf与htg反应器11的第一入口icm流体连接，并且htg反应器11被配置为在htg反应器11的第一入口icm处被供给固体部分17。htg反应器11中固体部分17的这种再循环允许降低或甚至消除待处置的污泥量。[0145]图6示意性地表示了根据本发明的用于处理含碳材料的装置40的另一个实施方案。根据本发明的用于处理含碳材料的装置40包括与装置20或30相同的元件。在装置40中，厌氧罐13包括第二出口og2。厌氧罐13被配置为产生在第二出口og2处回收的包含ch4和co2和任选存在的h2的第二气态部分g2。一旦回收，第二气态部分g2的至少一部分可用于燃烧以产生能量。根据定位在装置40中的转换器，所产生的能量可以是热的(热量)和/或电的。或者，第二气态部分g2的至少一部分可以用作天然气，例如用作压缩天然气或液化天然气，或者将其注入燃气管网中。[0146]装置40可包括用于进一步处理第一气态部分g1(包含ch4、co、co2和h2)的其他任选元件。装置40可以包括用于第一气态部分g1的至少一部分的生物甲烷化的专用反应器。装置40可以包括产生能量的转换器。优选地，第一气态部分g1或其一部分使用涡轮机燃烧以产生电能。装置40可以包括用g1的至少一部分供给的用于h2或ch4的生物强化的设备。甲烷的相对浓度增加可以通过如wo2018/234058中所述的生物甲烷化进行，并且氢气的生物强化可以通过水煤气变换反应，优选生物水煤气变换反应进行。









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